Choisir des batteries pour son projet de

Choisir des batteries pour son projet de robotique
terrestre, aérienne, marine ou sous-marine
Vocabulaire (pour plus d’informations, voir e.g. http://www.ni-cd.net/,
http://blog.patrickmodelisme.com/post/qu-est-ce-qu-une-batterie-lipo)
 Capacité : Utilisée avec la tension, elle permet de connaitre l’énergie contenue par la
batterie. Cette valeur est souvent notée C, est donnée en Ah ou mAh et est utilisée
pour définir les courants de charge et décharge supportés (voir définitions suivantes).
Ne pas comparer 2 batteries en regardant juste le nombre d’Ah ! Il faut
absolument vérifier la tension (pour calculer l’énergie contenue, voir définitions
suivantes)… Il est malheureusement courant sur Internet que la tension ne soit pas
indiquée clairement, par exemple dans les documentations d’ordinateurs, smartphones
ou autres produits complets, voir e.g. http://www.ldlc.com/fiche/PB00138823.html…
 Types courants de batteries : Li-Po (Lithium-Polymère, voir e.g.
http://www.flashrc.com/hacker/12325111v_4500mah_3s_ec5_20c_eco_x_topfuel_hacker.html), Li-Ion (Lithium-Ion),
NiMH (Nickel Metal Hydride), Pb (Plomb)… Chaque type a ses avantages et
inconvénients (voir dans le reste du document).
 Energie (en Wh) = tension (en V) * capacité (en Ah ou souvent mAh). C’est cette
valeur que l’on doit regarder en priorité pour comparer 2 batteries. Si on sait que
le robot devrait consommer en moyenne 30 W, on peut alors prévoir que l’autonomie
du robot avec une batterie de 60 Wh sera d’environ 2 h.
 Cellules/éléments : Une batterie est en général constituée de plusieurs
cellules/éléments mis en série et/ou parallèle. La tension d’une cellule/élément
dépend du type de la batterie (e.g. 3.7 V pour Li-Po, 1.2 V pour NiMH), par contre sa
capacité peut être variable. Les tensions de batteries possibles sont donc des valeurs
quantifiées. En modélisme, il est courant de décrire une batterie de cette manière :
« Li-Po 3S2P ». Cela signifie que c’est une batterie Li-Po constituée de 2 blocs
parallèles de 3 éléments en série (S pour série, P pour parallèle). On peut donc
directement déduire que la tension de la batterie est de 3*3.7 V=11.1 V.
 Courant max de charge/décharge : Les batteries ont des courants max de charge et
décharge souvent notés de cette manière : « décharge : 30C, charge : 5C ». C
correspond à la capacité de la batterie (e.g. si C=2500 mAh, le courant max de
décharge serait 30*2500 mAh et charge de 5*2500 mAh). Si on tente de dépasser ces
valeurs, la batterie risque d’être endommagée et les valeurs de courant voulues ne
seront peut-être pas atteintes pour autant...
 Auto-décharge : c’est le fait qu’une batterie laissée dans son emballage d’origine ou
non branchée se décharge toujours un peu. Il vaut mieux en général surveiller et
recharger si nécessaire des batteries non utilisée (tous les 6 mois au moins).
 Rapport taille/poids/énergie : c’est en général le compromis le plus important à
déterminer. Pour la même énergie contenue, la taille et le poids des batteries ne sont
pas les mêmes selon le type de batterie, et selon le robot, la taille ou le poids peuvent
être plus ou moins critiques. En général, on recherche le plus petit, léger avec le plus
d’énergie et le moins cher…
Tableau indicatif de l’importance de certains paramètres de choix selon les types de
robots
Robots
Paramètres
Rapport taille/poids/énergie
Terrestres
Multirotors
Avions
Energie plus
importante
Energie et
poids
critiques
Rapport prix/énergie
Variable
Courant de décharge max
Variable
Energie plus
importante
Critique
Energie,
poids et
taille
critiques
Energie plus
importante
Critique
Stabilité de la tension
Variable
Important
Important
Variable
Milieu confiné lors de la
décharge/recharge
Volume variable, dégagement
de chaleur ou de gaz
Sensibilité aux variations de
température
Résistance à l’écrasement et
aux chocs
Résistance aux surcharges ou
décharges trop profonde
Circuit de protection
nécessaire
Circuit de charge contrôlée
nécessaire
Simplicité d’utilisation et
robustesse générale
Variable
Variable
Rarement
important
Rarement
important
Variable
Rarement
important
Rarement
important
Variable
Variable
Critique
Critique
Variable
Important
Variable
Variable
Variable
Variable
Bateaux à
moteur
Energie plus
importante
Energie plus
importante
Variable
Variable
Variable
Important
Peu
important
Peu
important
Important
Important
Important
Critique
Variable
Variable
Important
Important
Rarement
important
Variable
Rarement
important
Important
Rarement
important
Variable
Important
Important
Variable
Important
Important
Hors du
robot
Variable
Hors du
robot
Variable
Variable
Souvent
dans le robot
Robustesse
importante
Variable
Variable
Voiliers
Sousmarins
Energie,
poids et
taille
critiques
Energie plus
importante
Variable
Variable
Critique
Variable
Tableau indicatif de certains paramètres selon les types de batteries
Types de batteries
Paramètres
Rapport taille/poids/énergie
Rapport prix/énergie
Courant de décharge max
Stabilité de la tension
Milieu confiné lors de la
décharge/recharge
Volume variable, dégagement
de chaleur ou de gaz
Sensibilité aux variations de
température
Résistance à l’écrasement et
aux chocs
Résistance aux surcharges ou
décharges trop profondes
Circuit de protection
nécessaire
Circuit de charge contrôlée
nécessaire
Simplicité d’utilisation et
robustesse générale
Li-Ion
Li-Po
NiMH
Pb
Le meilleur
Le plus cher
Limité, variable
Stable
OK
Très bon
Cher
Important
Stable
OK
Bon
Intéressant
Moyen, variable
Moyen
OK
Le moins bon
Le moins cher
Important
Peu stable
Dangereux
Chaleur
Volume variable et
chaleur
Moyenne
Chaleur
Chaleur et gaz
Moyenne
Peu sensible
Risque d’incendie si
très excessif
Limitée
Risque d’incendie si
très excessif
Bonne résistance
Variable
Variable
Fortement
recommandé
Intéressant
Variable
Importante
Explosion / incendie
immédiats
Très mauvaise (mais
couramment fourni
avec protection)
Indispensable
Indispensable
Complexe, circuits
de protection et
charge requis, mais
simple au final car
elles sont toujours
livrées avec ces
circuits
Explosion / incendie
immédiats
Mauvaise (mais à
relativiser vu les
courants supportés)
Fortement
recommandé
Indispensable
Complexe
Le plus simple et le
plus robuste
Autres paramètres à prendre en compte
Séparation en batteries dédiées à l’électronique (faibles variations de courant) et batteries
dédiées aux actionneurs (les fortes variations de courant de moteurs peuvent par exemple
provoquer le redémarrage d’un PC embarqué, ou alors il faut choisir des batteries supportant
bien les forts courants de décharge et avec une tension très stable…), emplacement,
équilibre/flottabilité du robot, facilité de remplacement pour pouvoir utiliser presque en
continu le robot, risques liés aux chocs et écrasements (voir
http://www.youtube.com/watch?v=gz3hCqjk4yc), variation de volume naturelle au cours de
la vie de certaines Li-Po, auto-décharge pendant des longues périodes d’inutilisation…
Attention : Mettre des batteries en parallèle ne permet pas toujours de supporter un
plus grand courant de décharge ! En effet, à cause de divers phénomènes, on ne peut en
général pas garantir que le courant soit équitablement réparti entre les différentes batteries…
Ainsi, il vaut mieux éviter de mettre des batteries en parallèle et choisir des batteries avec des
éléments supportant directement un plus grand courant de décharge (en général avec une plus
grande capacité) à la place.
Différences entre batteries et piles
Les piles auront en général un meilleur rapport taille/poids/énergie/(prix à l’unité)/courant
max de décharge… que les batteries de type similaire. Par contre, elles ne se rechargent pas et
ne peuvent donc être utilisées qu’une fois…
Ainsi, si pour un robot on veut le meilleur rapport sur tout, qu’on n’a pas besoin de recharger
souvent et que l’on peut facilement les remplacer si c’est nécessaire (et qu’on a le budget pour
les remplacer plusieurs fois), il faut prendre des piles au Lithium.
Charge
La charge de certaines batteries peut être très particulière et en plusieurs phases (e.g. tension
constante, suivi de courant constant, détection de « delta-peak » (variation brutale de tension
indiquant une fin de charge), courant d’entretien (faible courant constant pour finaliser la
charge)…). Des chargeurs spécialisés doivent être utilisés et configurés correctement pour
charger les batteries (voir https://youtu.be/vzAOG9ctZRU ). Les paramètres à indiquer sont
typiquement le type, tension ou nombre d’éléments, capacité et courant max de charge. Il
faut consulter l’étiquette de la batterie ou sa documentation pour trouver les bons paramètres.
C’est pendant la charge que les risques d’explosions/incendies sont les plus importants,
il faut donc toujours surveiller des batteries en charge et toujours les
débrancher/abandonner si la charge prend plus de temps que prévu (voir e.g.
http://www.youtube.com/watch?v=-DcpANRFrI4 ).
Les batteries Li-Po doivent notamment être mises dans des sacs de protection et leur
connecteur d’équilibrage doit être utilisé pour qu’il n’y ait pas de déséquilibre de charge
entre des éléments d’une même batterie (en effet, si on ne connecte que le connecteur
principal d’une batterie constituée de plusieurs éléments en série, on ne peut pas savoir si un
élément est plus déchargé que les autres, il faut qu’on ait accès à la tension de chaque
élément, d’où la présence d’un petit connecteur dit d’équilibrage).
Batterie endommagée
 Sa tension est très inférieure à ce qu’elle devrait être.
 Elle se décharge plus vite que prévu.
 Le chargeur met plus de temps à la charger ou ne la charge pas.
 Elle chauffe excessivement lors de la charge/décharge.
 Elle gonfle pendant la charge ou est gonflée excessivement.
 Du liquide ou de la poudre bizarre en sortent.
Attention : il ne faut pas attendre que le robot présente des signes de sous-alimentation
pour s’arrêter. Bien souvent (notamment pour les batteries Li-Po), le point de non-retour est
déjà atteint (la tension de la batterie est devenue trop faible et la batterie est endommagée).
Pour éviter cela :
 Evaluer quelle devrait être l’autonomie prévue en fonction de ce que devrait faire le
robot.
 Brancher des circuits d’alarme (notamment pour les batteries Li-Po, e.g.
http://www.ebay.fr/itm/LIPO-LOW-VOLTAGE-ALARM-2S-8S-MONITOR-LEDDIGITAL-TESTER-QUADCOPTER-DJI-PHANTOM/111451873973?pt=UK_ToysGames_RadioControlled_JN&hash=item19f30ca2b5).
 Utiliser des variateurs/ESC/contrôleurs de moteurs avec circuit de surveillance intégré
(mais ils sont souvent assez cher et fait typiquement pour les humains pour qu’ils
ressentent un ralentissement, donc assez difficile à faire interpréter automatiquement
par un robot autonome…).
 Utiliser des batteries avec circuit de protection intégré (souvent le cas avec des
batteries intelligentes Li-Ion ou Li-Po telles que http://www.tekkeon.com/productsmypowerall.html ou les batteries intégrées dans les portables) qui couperont
automatiquement la batterie avant qu’elle soit réellement endommagée.
Attention : Bien débrancher la batterie de tout, y compris des alarmes après utilisation
(tous ces circuits consomment du courant) ! Il arrive couramment que les boutons ON/OFF
éventuellement présents ne débranchent pas tout… De même, il faut aussi débrancher les
batteries des chargeurs en fin de charge, il y a toujours un petit courant résiduel qui peut les
décharger lentement. De même, il est bon de retirer la batteries des PC portables (si possible)
si on ne les utilise pas pendant plus d’une semaine, certains PC portables peuvent se retrouver
avec une batterie vide au bout de 2 semaines.
Attention : Se méfier des tables/objets métalliques et de tout ce qui pourrait entrer en
contact avec les connecteurs des batteries ! Certains connecteurs de mauvaise qualité ou
usés peuvent facilement être mis en court-circuit par inadvertance et provoquer
incendie/explosion… Pour les mêmes raisons, éviter de mettre trop de batteries dans un
même sac de protection, le risque que leurs connecteurs rentrent en contact est élevé !
Résurrection de batterie (non recommandé !)
Lorsqu’une batterie est endommagée (typiquement quand elle a été trop déchargée), il est
probable que le chargeur refuse de la charger (il va voir que sa tension est trop faible)…
Si la batterie est constituée de plusieurs éléments, il faut vérifier la tension de chacun, il est
courant que seul 1 élément soit endommagé. Il vaut mieux dans ce cas ne pas toucher aux
autres et se concentrer uniquement sur les éléments défectueux (e.g. la tension de chaque
élément est en général accessible sur le petit connecteur d’équilibrage des batteries Li-Po).
En trichant sur les types et/ou tensions de batterie que l’on indique au chargeur ou en
branchant directement la batterie (ou uniquement ses éléments endommagés) sur une
alimentation stabilisée à sa tension nominale (ou même moins dans un premier temps et en
limitant le courant à une valeur faible, e.g. moitié du courant de charge recommandé), il est
parfois possible de ramener la tension de la batterie à une valeur acceptable.
Attention : il faut alors absolument vérifier en continu la température de la batterie ou si elle
gonfle et débrancher et vérifier au bout d’une minute s’il y eu une amélioration de la tension.
Si après quelques tentatives la batterie n’est pas revenue à une tension acceptable,
abandonner, sinon elle va finir par gonfler, chauffer, et exploser/brûler !
Batteries couramment utilisées dans les robots de l’ENSTA Bretagne
 Li-Po 3S1P 11.1 V 4500 mAh (voir http://www.flashrc.com/hacker/12325111v_4500mah_3s_ec5_20c_eco_x_topfuel_hacker.html) : propulsion pour tout type
de robot.
 Li-Po 3S1P 11.1 V 2250 mAh : propulsion pour petits robots terrestres et aériens.
 Li-Po 4S1P 14.8 V 2400 mAh (voir http://www.flashrc.com/hacker/12520148v_2400mah_4s_ec3_20c_eco_x_topfuel_hacker.html) : propulsion pour robots
aériens.
 Li-Po 4S1P 14.8 V 4500 mAh (voir http://www.flashrc.com/hacker/12786148v_4500mah_4s_ec5_20c_eco_x_topfuel_hacker.html) : propulsion pour gros
robots aériens.
 Li-Po batteries Tekkeon intelligentes (voir http://www.tekkeon.com/productsmypowerall.html , ne semble malheureusement plus disponible, mais d’autres modèles
similaires existent) : électronique pour robots sous-marins, marins et terrestres.
 Ni-MH battery RS 1.2 V 10 Ah (voir http://radiospares-fr.rsonline.com/web/p/batteries-d/5114801/) : propulsion pour robots sous-marins.
 Ni-MH battery RS 1.2 V 3600 mAh (voir http://radiospares-fr.rsonline.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=searchProducts&searchTer
m=504-6124) : robots terrestres et sous-marins.
 Pb battery 12 V 24 Ah (voir http://www.conrad.fr/ce/fr/product/250226/Batterieplomb-AGM-sans-entretien-12-V-24-Ah-Conradenergy/?ref=category&rt=category&rb=1): pour alimenter diverses choses via un
convertisseur 12 V→230 V quand on fait des expériences à l’extérieur.
Distributeurs
Flash RC (batteries de modélisme): http://www.flashrc.com/
Conrad (batteries de modélisme): http://www.conrad.fr/
RS (tout type de batterie) : http://fr.rs-online.com/
Williamson Electronique (pour choses non standards (le prix pourra être élevé si la demande
nécessite une étude particulière)) : http://www.williamson-electronique.fr/